PL232266B1 - Sposób termicznego łączenia światłowodów - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób termicznego łączenia światłowodów.

Wynalazek znajduje zastosowanie w przemyśle produkującym światłowody, w telekomunikacji a także wszelkich technologiach i technikach wykorzystujących światłowody.

Z publikacji D. Glodge i inni pt. „Optical fiber Telecommunications - Fiber Splicing” Ed. C.M. Millelr i A.G. Chgnoweth, New York: Academic, 1979 znany jest termiczny sposób łączenia światłowodów z włókien szklanych ze szkła krzemionkowego, w którym odpowiednio obcięte końcówki łączonych światłowodów włóknistych są podgrzewane w łuku lub w płomieniu, do uzyskania plastyczności podgrzewanych czół, a następnie centrycznie dociskane do siebie i w ten sposób łączone.

Z opisu patentowego EP 1 376 172 znany jest sposób łączenia światłowodów różnego typu, w których wymieniona różnorodność typów sprowadza się do różnych średnic pola łączonych modów. Znany sposób polega na tym, że czołowe końcówki łączonych światłowodów, po usunięciu z nich zewnętrznych powłok i odpowiednim przycięciu, styka się ze sobą, a następnie podgrzewa się złączone końcówki, odpowiednio dopasowując do siebie różne średnice pola modów poszczególnych światłowodów, przy czym podgrzewanie prowadzi się w niezapylonej przestrzeni o klasie czystości poniżej 1000. Dzięki temu ogranicza się występowanie pęknięć spowodowanych przez spalanie obcych materiałów w łączonych strefach światłowodu. Ponadto, po termicznym złączeniu światłowodów, złączone części powierzchni światłowodów pokrywa się warstwą ochronną i poddaje procesowi trawienia w celu usunięcia chropowatości i spękań, i na koniec poddaje się testom wytrzymałości złącza.

W opisie patentowym US 6705771 ujawniono sposób łączenia włókien wykonanych ze szkieł wieloskładnikowych ze szkłem krzemionkowym, przy czym połączenie wykonywane jest przez podgrzewanie i dosuwanie obu końców światłowodów różnych typów a połączenie następuje poprzez stopienie szkieł z wykorzystaniem spawarki łukowej. Sposób przedstawiony w opisie dotyczy włókien tradycyjnych, o gradientowym lub skokowym współczynniku załamania.

Wykorzystanie spawarki łukowej do spawania włókien światłowodowych wykonanych ze szkieł o różnych temperaturach topnienia znane jest też z opisu patentowego US 6866429, przy czym w sposobie według ujawnienia obcina się włókno światłowodowe krzemionkowe pod kątem (powierzchnia włókna światłowodowego ze szkła nie krzemionkowego ucięta prostopadle do osi włókna), a powierzchnia czoła uciętego pod kątem jest dodatkowo korzystnie polerowana.

Opisane znane sposoby ze stanu techniki dotyczą głównie łączenia światłowodów jednakowych typów, wykonanych z jednakowych rodzajów materiałów, a jeżeli dotyczą łączenia światłowodów różnych typów, to ta różnorodność sprowadza się zazwyczaj do zróżnicowanych średnic pola modów. Tymczasem, rozwój techniki światłowodowej spowodował także rozwój światłowodów nie tylko z najbardziej popularnej krzemionki (w tradycyjnych światłowodach krzemionkowych płaszcz światłowodowy wykonany jest z SiO2, natomiast rdzeń jest domieszkowany, np. tlenkiem germanu, w celu podwyższenia współczynnika załamania); ale także ze szkieł wieloskładnikowych.

Szkła wieloskładnikowe (np. borowo-krzemianowe, ołowiowo-krzemianowe, potasowo-krzemianowe i inne), zwane też w żargonie technicznym szkłami miękkimi (o temperaturze topnienia w zależności od składu ok. 1000°C niższej niż szkła krzemionkowego), są interesującym kierunkiem rozwoju technologii światłowodowej m.in. ze względu na wysoki współczynnik nieliniowości, często nawet o dwa rzędy wielkości wyższy niż w standardowych światłowodach krzemionkowych. Dzięki wyższym współczynnikom nieliniowości możliwa jest generacja supercontinuum przy niższych energiach impulsu na bardzo krótkich odcinkach włókna (rzędu milimetrów). Zastosowanie włókien wieloskładnikowych do generacji supercontinuum ma też tą zaletę, że szkła takie mają znacznie wyższą transmisję w zakresie podczerwieni dla fal powyżej 2,5 μm. Umożliwi to wytworzenie nowych źródeł szerokopasmowych supercontinuum, które obejmują zakres od 0,5 do 6 μm. Jest to zakres szczególnie interesujący dla zastosowań biomedycznych ze względu na leżące w zakresie średniej podczerwieni pasma wibracyjne wielu wiązań związków organicznych. Zastosowanie nowych źródeł szerokopasmowych w zakresie średniej podczerwieni umożliwi rozwój spektroskopii oraz układów czujnikowych. Ponadto, światłowody wieloskładnikowe mają także inne zastosowania, np. przy produkcji światłowodów z wysoką aperturą numeryczną, wysoką dwójłomnością, czy światłowodów dla struktur zintegrowanych.

Tym samym, w ostatnim czasie wyłoniła się potrzeba łączenia światłowodów wieloskładnikowych ze szkłami krzemionkowymi. Jest to newralgiczny punkt procesu zaadoptowania ich do układów pomiarowych, laserowych czy czujnikowych, bazujących na tradycyjnych (krzemionkowych) włóknach.

PL 232 266 B1

W stanie techniki próby łączenia tych dwóch typów światłowodów kończyły się zwykle nieakceptowalnym poziomem strat, zbyt małą wytrzymałością mechaniczną lub niemożliwością połączenia włókien. Ponadto, celem wynalazku było opracowanie sposobu łączenia światłowodów z użyciem spawarki żarnikowej, co pozwala na łączenie szkieł wieloskładnikowych fotonicznych (a takie są wykorzystywane m.in. do generacji supercontinuum). Sposób według wynalazku rozwiązuje przedstawione problemy techniczne.

Sposób termicznego łączenia światłowodów według wynalazku polega na układaniu, wyrównywaniu, osiowym pozycjonowaniu włókien światłowodów względem siebie, a następnie podgrzewaniu i stykaniu (kontaktowaniu) ze sobą przeciwległych łączonych końcówek światłowodu. Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że łączy się ze sobą światłowody z różnego rodzaju materiałów, o różnych temperaturach topnienia, gdzie końcówkę łączonego światłowodu o wyższej temperaturze topnienia podgrzewa się do temperatury powyżej temperatury topnienia światłowodu o niższej temperaturze topnienia, przy czym każdy z łączonych światłowodów nie może być podgrzany do temperatury większej od jego własnej temperatury topnienia, po czym łączone końcówki światłowodów, początkowo oddalone od siebie korzystnie na odległość nie większą niż 100 gm przysuwa się do siebie z prędkością od 0 do 100 gm/s i na odcinku 0-500 gm dociska, aż do uzyskania termicznego zespolenia włókien.

Przy czym korzystnie, gdy przed rozpoczęciem ogrzewania światłowodów ich powierzchnie są czyszczone chemicznie i/lub mechanicznie, korzystnie co najmniej poprzez odtłuszczenie i pozbawienie zanieczyszczeń.

Użyte w opisie określenie „odległość ujemna” należy rozumieć jako odległość, o którą przesunąłby się dociśnięty do światłowodu wieloskładnikowego światłowód krzemionkowy, gdyby zabrać światłowód wieloskładnikowy.

Korzystnie, gdy rodzaje łączonych światłowodów obejmują światłowód szklany ze szkła krzemionkowego, o temperaturze topnienia mieszczącej się w zakresie 1800-2000°C oraz światłowód wieloskładnikowy, o temperaturze topnienia, mieszczącej się w zakresie 400-1000°C (w zależności od składu światłowodu wieloskładnikowego). Najkorzystniej, gdy światłowód wieloskładnikowy obejmuje światłowód wykonany ze szkła borowo-krzemianowego.

Korzystnie, gdy końcówkę łączonego światłowodu o wyższej temperaturze topnienia podgrzewa się do temperatury o 50 do 250°C wyższej od temperatury topnienia światłowodu o niższej temperaturze topnienia.

Korzystnie, gdy początkowa odległość pomiędzy łączonymi końcówkami światłowodów jest dodatnia lub ujemna i mieści się w zakresie od 5 do +50 gm, a końcówki światłowodów przesuwa się do siebie z prędkością w zakresie od 10 do 50 gm/s, najkorzystniej z prędkością w zakresie od 20 do 40 gm/s i na odcinku w zakresie od 10 do 100 gm.

Sposób według wynalazku posiada tą zaletę, że pozwala na łączenie światłowodów ze szkła krzemionkowego i szkieł wieloskładnikowych, w tym światłowodów fotonicznych (zwanych też mikrostrukturalnymi). Ponadto, sposobem według wynalazku pozwala na uzyskanie trwałego i mocnego połączenia.

Sposób termicznego łączenia światłowodów według wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat łączonych światłowodów w ustawieniu tuż przed ich podgrzewaniem, Fig. 2 przedstawia schemat połączonych światłowodów.

P r z y k ł a d 1

Sposób termicznego łączenia światłowodów według wynalazku polega na układaniu, wyrównywaniu, osiowym pozycjonowaniu włókien światłowodów względem siebie, a następnie podgrzewaniu i stykaniu (kontaktowaniu) ze sobą przeciwległych łączonych końcówek światłowodu.

Sposób termicznego łączenia światłowodów według wynalazku zastosowano do połączenia światłowodów, z których jeden był światłowodem krzemionkowym a drugi światłowodem ze szkła wieloskładnikowego. Światłowód krzemionkowy był komercyjnym jednomodowym standardowym włóknem szklanym typu Corning SMF28e+ wykonanym ze szkła typu high silica, o średnicy rdzenia (1) φ = 8,2 gm i średnicy płaszcza (2) φ = 125 gm, przy czym płaszcz światłowodu wykonany był z niedomieszkowanego szkła, zaś rdzeń był ze szkła z domieszką Ge. Natomiast drugi światłowód był światłowodem ze szkła borowo-ołowiowo-krzemowego o średnicy rdzenia (3) φ = 2,4 gm i średnicy płaszcza (4) φ = 140 gm. Temperatura topnienia światłowodu krzemionkowego wynosiła 15 około 1800°C, zaś temperatura topnienia światłowodu wieloskładnikowego wynosiła około 450°C. Światłowody do wykonania połączenia przygotowano w ten sposób, że z końcówki włókna krzemionkowego przeznaczonej do połączenia zdjęto otulinę zewnętrzną za pomocą strippera mechanicznego, po czym końcówkę

PL 232 266 B1 oczyszczono chusteczką nasączoną alkoholem izopropylowym. Włókno wieloskładnikowe przygotowano przez przetarcie suchą chusteczką bezpyłową wzdłuż jego osi. Następnie obydwa światłowody przycięto tak, że płaszczyzna czoła światłowodu tworzyła kąt prosty z jego osią. Tak przygotowane światłowody umieszczono w uchwytach spawarki tak, że czoła łączonych końcówek były naprzeciwko siebie w odległości początkowej d = 8 μm i wypozycjonowano je osiowo na maksymalną ilość światła przechodzącego z jednego włókna do drugiego. Po ułożeniu i wyrównaniu włókien względem siebie rozpoczęto proces ogrzewania. Ogrzewanie prowadzono przy użyciu spawarki żarnikowej Vytran FFS-2000, etapowo:

W pierwszym etapie ogrzewania źródło ciepła (5) spawarki odsunięto od włókna wieloskładnikowego w kierunku włókna szklanego na odległość (g) = 120 μm tak, aby włókno wieloskładnikowe nie było podgrzewane, a ogrzewane było tylko włókno krzemionkowe. Włókno krzemionkowe podgrzano przesuniętym źródłem ciepła (6) do temperatury około 450°C +/- 10°C, a więc wyższej od temperatury topnienia włókna wieloskładnikowego. Po osiągnięciu tej temperatury, co trwało około 0,2 sekundy, włókno krzemionkowe przybliżano z prędkością ok. 30 μm/s w kierunku włókna wieloskładnikowego, na odcinku około 1 μm. W tym czasie włókno krzemionkowe, rozgrzane powyżej temperatury topnienia włókna wieloskładnikowego, nadtapiało strukturę włókna wieloskładnikowego i wchodziło osiowo w głąb włókna wieloskładnikowego, wskutek czego następowało połączenie pomiędzy szkłem krzemionkowym a szkłem wieloskładnikowym, gdzie światłowód wieloskładnikowy tworzył spoinę ze światłowodem krzemionkowym.

Po połączeniu, złącze zabezpieczono przed ewentualnymi uszkodzeniami i wpływem warunków zewnętrznych, przy zastosowaniu standardowych, termokurczliwych osłonek spawów dostępnych komercyjnie.

Straty optyczne na złączu wykonanym w tym przykładzie wyniosły średnio 2,15 ± 0,5 dB.

P r z y k ł a d 2

Sposób termicznego łączenia światłowodów według wynalazku polega na układaniu, wyrównywaniu, osiowym pozycjonowaniu włókien światłowodów względem siebie, a następnie podgrzewaniu i stykaniu (kontaktowaniu) ze sobą przeciwległych łączonych końcówek światłowodu.

Sposób termicznego łączenia światłowodów według wynalazku zastosowano do połączenia światłowodu ze szkła wieloskładnikowego o nieznacznie zmienionym składzie oraz światłowodu krzemionkowego jednomodowego o wysokiej aperturze numerycznej i małym polu modu (Nufern UHNA4). Światłowód krzemionkowy średnicy rdzenia (1) φ = 2,2 μm i średnicy płaszcza (2) φ = 125 μm, przy czym płaszcz światłowodu wykonany był z niedomieszkowanego szkła, zaś rdzeń był ze szkła z domieszką Ge. Natomiast drugi światłowód był światłowodem ze szkła borowo-ołowiowo-krzemowego o średnicy rdzenia (3) φ = 2,3 μm i średnicy płaszcza (4) φ = 141 μm.

Światłowody do wykonania połączenia przygotowano w ten sposób, że z końcówki włókna krzemionkowego przeznaczonej do połączenia zdjęto otulinę zewnętrzną za pomocą strippera mechanicznego, po czym końcówkę oczyszczono chusteczką nasączoną alkoholem izopropylowym. Włókno wieloskładnikowe przygotowano przez przetarcie suchą chusteczką bezpyłową wzdłuż jego osi. Następnie obydwa światłowody przycięto tak, że płaszczyzna czoła światłowodu tworzyła kąt prosty z jego osią. Tak przygotowane światłowody umieszczono w uchwytach spawarki tak, że czoła łączonych końcówek były naprzeciwko siebie w odległości początkowej d = 10 μm i wypozycjonowano je osiowo na maksymalną ilość światła przechodzącego z jednego włókna do drugiego. Po ułożeniu i wyrównaniu włókien względem siebie rozpoczęto proces ogrzewania. Ogrzewanie prowadzono przy użyciu spawarki żarnikowej Vytran FFS-2000, etapowo.

W pierwszym etapie ogrzewania źródło ciepła (5) spawarki odsunięto od włókna wieloskładnikowego na odległość (g) = 100 μm w kierunku włókna krzemionkowego i jednocześnie podgrzano włókno wieloskładnikowe do temperatury około 450°C zaś włókno ze szkła krzemionkowego do temperatury około 500°C, po czym przybliżono go w kierunku włókna wieloskładnikowego z szybkością ok. 40 μm/s, na odcinku około 2 μm do uzyskania zespolenia pomiędzy światłowodem krzemionkowym a wieloskładnikowym.

W celu ochrony złącza przez ewentualnymi uszkodzeniami i wpływem warunków zewnętrznych wykorzystuje się docięte rurki metalowe lub szklane o średnicy większej niż włókno ze szkła wieloskładnikowego, zaklejone na końcach klejem nie wprowadzającym zbyt dużych naprężeń na włókna i wykonanego złącza.

Straty optyczne na złączu wykonanym w tym przykładzie wyniosły średnio 1,8 ± 0,5 dB

Claims (5)

1. Sposób termicznego łączenia światłowodów z różnych materiałów, w szczególności światłowodów krzemionkowych ze światłowodami wieloskładnikowymi polegający na układaniu, wyrównywaniu, osiowym pozycjonowaniu włókien światłowodów względem siebie oraz ich łączeniu i zabezpieczaniu, znamienny tym, że łączone światłowody to światłowód krzemionkowy o temperaturze topnienia mieszczącej się w zakresie 1800-2000^oC oraz światłowód wieloskładnikowy o temperaturze topnienia, mieszczącej się w zakresie 400-1000°C a sposób termicznego łączenia światłowodów zawiera co najmniej kroki w których:

a. Układa się, wyrównuje i osiowo pozycjonuje światłowód ze szkła krzemionkowego i światłowód ze szkła wieloskładnikowego względem siebie,

b. Ogrzewa się końcówkę światłowodu krzemionkowego o wyższej temperaturze topnienia do temperatury przekraczającej temperaturę topnienia światłowodu ze szkła wieloskładnikowego o 50 do 250°C,

c. Przysuwa się rozgrzaną końcówkę światłowodu ze szkła krzemionkowego, które ma wyższą temperaturę topnienia do końcówki światłowodu ze szkła wieloskładnikowego, które ma niższą temperaturę topnienia, równocześnie ogrzewając włókno światłowodu ze szkła krzemionkowego,

d. Dociska się do siebie końcówki światłowodów aż do termicznego ich zespolenia,

e. Zabezpiecza się połączenie przed uszkodzeniami mechanicznymi.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed ogrzewaniem wyczyszczone końcówki światłowodów umieszcza się w spawarce tak, że na odległość nie większą niż 100 gm.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że końcówki światłowodu po ogrzaniu końcówki światłowodu ze szkła krzemionkowego przysuwa się do siebie z prędkością od 0 do 100 gm/s i na odcinku 0-500 gm dociska, aż do uzyskania termicznego zespolenia włókien.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że światłowód wieloskładnikowy wykonany jest ze szkła borowo-krzemianowego,

5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że początkowa odległość pomiędzy łączonymi końcówkami światłowodów jest dodatnia lub ujemna i mieści się w zakresie od 5 do 50 gm, a końcówki światłowodów przesuwa się do siebie z prędkością w zakresie od 10 do 50 gm/s, najkorzystniej z prędkością w zakresie od 20 do 40 gm/s i na odcinku w zakresie od 10 do 100 gm.